李芳軍

摘 要：建筑磚混垃圾的再利用有利于節(jié)約資源和保護環(huán)境，促進中國更快實現(xiàn)“雙碳”目標。為研究水灰比和骨料粒徑對再生磚混透水混凝土抗壓強度和透水系數的影響，文章以水灰比（0.28～0.32）和骨料粒徑（4.75～19 mm）作為變量，探究2個變量對抗壓強度和透水系數的規(guī)律。研究結果表明：一方面，再生磚混透水混凝土的抗壓強度在水灰比變化時，起初會有所增強，但之后會呈現(xiàn)下降趨勢；而隨著骨料粒徑的增加，其抗壓強度則逐漸減弱。另一方面，該混凝土的透水系數會隨著骨料粒徑的增大而增加。值得注意的是，不同骨料粒徑下的水灰比對透水系數的影響并非一致，存在一定的差異，骨料粒徑4.75～9.5 mm和9.5～16 mm下的透水系數隨水灰比增大而呈先增大后減小的趨勢，而骨料粒徑16～19 mm下透水系數隨水灰比的增大而減小。文章研究結果可為實際工程提供參考和借鑒。

關鍵詞：再生磚混骨料；透水混凝土；抗壓強度；透水系數

中圖分類號：TU528.2 文獻標志碼：A

0 引言

近年來，建筑磚混垃圾再生骨料透水混凝土作為一種環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的新型建材備受關注。傳統(tǒng)的建筑磚混垃圾處理方式往往無法有效回收其資源，導致浪費和環(huán)保壓力。而透水混凝土材料的研究則可以有效地解決城市內澇問題，提高建筑磚混垃圾的再生利用率，減少天然骨料使用以保護生態(tài)環(huán)境，提升城市生態(tài)環(huán)境的質量[1]。因此，對再生磚混透水混凝土的力學性能進行深入研究，不僅可以為其在實際工程中的應用提供理論依據，還可以評估和改進該材料的性能，進一步推動其在工程領域的推廣應用。再生磚混透水混凝土的力學性能研究主要包括抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度等方面的測試?？箟簭姸仁呛饬炕炷敛牧系钟奢d能力的重要指標[2]3-4 。通過對抗壓強度進行測試，可以了解再生磚混透水混凝土的承載能力以及抗壓性能的優(yōu)劣。再生磚混透水混凝土的力學性能研究不僅具有學術意義，更具有實際應用價值。通過深入研究材料的力學性能，可以為其在道路、廣場、停車場等場所的應用提供技術支持和合理性評估[3]，提高材料的推廣應用率。此外，還可以為工程設計提供合理的參數和準確的模型，將建筑磚混垃圾資源化利用與城市生態(tài)環(huán)境改善相結合，推動可持續(xù)城市發(fā)展，更有助于建設“海綿城市”[4-5]。因此，在探討建筑磚混垃圾再生骨料透水混凝土的力學性能時，這項研究不僅至關重要，而且它在促進綠色建筑產業(yè)進一步發(fā)展和普及方面扮演著積極的角色[5]。

再生磚混骨料中大部分被混凝土包裹，骨料中有較多裂隙，導致其吸水率較一般骨料更大，所需用水量更多，其中多出的部分稱為附加水，因此其28 d抗壓強度隨水灰比變化的規(guī)律與一般混凝土不同，其配合比設計也較一般混凝土更為復雜。為了更深入地探討水灰比和骨料粒徑的變化如何影響再生透水混凝土在28 d齡期時的抗壓強度及其透水系數，以及這些影響的規(guī)律性，文章進行了相關研究，以水灰比為變量，參照周勇[6]、郭遠新[7]的研究，將設置水灰比變化范圍為0.28～0.32，骨料粒徑選用 4.75～9.5 mm、9.5～16 mm 及 16～19 mm 這 3種單級配粒徑，研究再生磚混透水混凝土28 d抗壓強度、透水系數隨水灰比、骨料粒徑變化的相關規(guī)律。

1 試驗設計

1.1 原材料

試驗原材料采用蘭州西固石化14#街片區(qū)棚戶區(qū)改造項目房屋拆除后產生的建筑廢料，經顎式破碎機破碎，采用人工篩分的方式，將骨料篩分成4.75～9.5 mm、9.5～16 mm及16～19 mm的粗骨料，參照《建設用碎石、卵石》（GB/T 14685—2022）

[8]測試其骨料性質，相關指標滿足規(guī)范要求，試驗結果見表1；采用天然碎石為天然粗骨料，骨料級配分別為再生骨料粒徑對應；粉煤灰為II級；水泥采用普通P.O42.5水泥；采用高效減水劑T W-10萘系高效減水劑；水采用蘭州市自來水。為保證再生磚混透水混凝土的最佳性能，將再生骨料和天然骨料按照40%和60%的比例進行混合[9-10]。

1.2 配合比設計

在設計再生骨料透水性混凝土的配合比時，需要通過調整和優(yōu)化配合比參數，以確保所得到的混凝土在結構上既合理又具備所需的性能，水泥漿完全包裹骨料的前提下確保其粗骨料之間留有足夠的間隙以便透水。這可使透水混凝土既滿足規(guī)范給定的力學性能要求，又兼具良好的透水性能。分析再生透水混凝土配比設計理論可知，影響透水混凝土抗壓強度和透水系數的主要因素可能包括骨料粒徑和水灰比的差異，依據袁漢卿等[11]的研究結果，取骨料粒徑為4.75～9.5 mm、9.5～16 mm和16～19 mm，通過采用3種不同粒徑進行配合比設計，找出再生磚混透水混凝土隨骨料粒徑的變化規(guī)律。根據陳守開等[12]128 的研究結果，透水混凝土水灰比的范圍取0.26～0.40。再根據楊晴[2]47-48 、唐海玥和閆紓梅[13]的研究結果，將水灰比的范圍縮小至0.28～0.32，在采用40%的再生磚混骨料替代天然骨料來制備再生磚混透水混凝土的過程中，不僅提升了生產效率，而且能夠更加直接地觀察到隨著水灰比的變化，再生透水混凝土在28 d齡期時的抗壓強度所呈現(xiàn)出的變化規(guī)律。在保證用水量與骨料用量不變的前提下，設計 3 個梯度的水膠比系列，水灰比分別為0.28、0.30、0.32；根據陳守開等[12]127 的研究結果，選定粉煤灰摻量為5%。根據試拌的結果，減水劑的用量采用0.13%。綜上，共計9個配合比，見表2；RAPC-1-0.28表示水膠比為0.28、骨料粒徑為4.75～9.5 mm粒徑的再生骨料透水混凝土，其余水膠比和骨料粒徑的配比編號與此類似。

1.3 試樣制備

在實驗室常溫環(huán)境下制備試樣，采用單軸強制式攪拌機進行拌合，加料過程中，注意先加水將骨料進行預濕，再生骨料提前將附加水部分吸收，攪拌1 min之后，將剩下的膠凝材料放入其中，再放入剩下的水拌和1 min。然后裝模靜置24 h后放入養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d。根據該方法，將拌好的再生透水混凝土填充到模具的1/3高度時，采用搗棒在四周進行插搗，在插搗過程中需要將搗棒插搗至下一層的層面，保證搗實。對于剩下部分重復以上操作以保證透水混凝土結構的密實性，最后將其抹平。若采用機械振搗，會使水泥漿通過骨料間的孔隙下滲至底部，導致水泥漿分布不均且容易堵住下層孔隙，故采用人工插搗[14]。水泥水化僅在有充足的水分存在的情況下才會發(fā)生。因為透水混凝土水灰比（W/C）較低，且蘭州地區(qū)氣候干燥，所以需要在將再生透水混凝土裝模之后，在其表面蓋上一層保鮮膜，保證其中水分不被蒸發(fā)?？箟簭姸仍噳K采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊。對每個試驗制備3個相同的混凝土試件并按照規(guī)范要求進行試驗并處理試驗數據。

1.4 試驗方法

（1）抗壓強度采用蘭州理工大學混凝土試驗室微機伺服萬能試驗機作為加載裝置，按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082—2009）

[15]對試件進行抗壓試驗，并結合計算公式進行計算。

試驗步驟為：將養(yǎng)護齡期滿28 d的試件從養(yǎng)護箱中取出后，將試件表面以及試驗機清理干凈，每組3個進行加載、并記錄所得數據。加載的操作步驟為先將試件平放在壓力機中間，與上下的軸線對齊，壓力機的速度調整為0.3 MPa/s后進行勻速施壓，計算試塊壓力值。

混凝土抗壓強度值的計算方法如式（1）所示：

式中：f cc 為混凝土立方體試件抗壓強度（MPa）；F為試件破壞荷載值（N）；A為試件的抗壓承受面積（m 2 ）；α為修正系數，這里取0.95。

（2）根據《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程》（CJJ/T135-2009）

[16]附錄A設計并定制了如圖1所示的透水試驗裝置，在試驗階段，水通過裝置上部的透水圓筒被注入，隨后水會經過混凝土的孔隙，進而流入其下方的空間。下部圓柱形水槽中，通過控制進水速度使水位與上出水口持平，當圓筒內注入的水流與下水槽溢出水量相持平時，啟動秒表量取時間t內下水槽出水口排出的水量V。透水系數的計算公式為：

式中：V為水流量；L為試樣長度；t為測量時間；A為試樣截面面積； Δ h為水頭差。

2 試驗結果與分析

表3為不同配合比的抗壓強度和透水系數試驗結果。從圖2、圖3可知，隨著水灰比增大，28 d抗壓強度值隨之增大，而后又隨之減小。該變化規(guī)律與普通混凝土不同，這是因為再生磚混透水混凝土中無砂，是一種干硬性混凝土，而決定混凝土強度的一個重要因素是水泥漿是否均勻包裹住骨料。當水灰比過小時，其所形成的水泥漿呈干硬狀態(tài)，并不能完全包裹住骨料，使得骨料之間形成的水泥漿黏結層較為薄弱，也就使得骨料之間黏結力減弱。當增大水灰比至0.30時，此時水泥漿剛好可以包裹住骨料，使得骨料間的水泥漿黏結層黏結性增強，進而增強了抗壓強度。當水灰比增加至0.32時，水膠比過大，水泥漿呈稀薄狀態(tài)，在重力和外力作用下，會使得水泥漿下滲導致整體水泥漿的分布不均，使得骨料之間水泥漿黏結層變薄，也就使得水泥漿黏結層的黏結力減弱，而水泥漿黏結層的黏結強度是其抗壓強度的重要組成之一，因此導致抗壓強度減小[17]。所以對于再生磚混透水混凝土而言，水灰比存在一個適宜范圍，在該范圍內水灰比的增加有利于改善再生磚混透水混凝土和易性，并且增強骨料間水泥漿黏結性。

從圖2可知，當再生磚混透水混凝土的骨料粒徑增加至4.75～9.5 mm的范圍內時，其抗壓強度會相應地呈現(xiàn)出降低的趨勢，抗壓強度值最大可達到17.85 MPa，而隨著骨料粒徑增大至9.5～16 mm，此時抗壓強度值最大可達到13.18 MPa，而當骨料粒徑增大至16～19 mm時，最大抗壓強度值僅為11.39 MPa，相較于4.75～9.5 mm減小了36.2%。這是因為，在骨料粒徑較小時，骨料之間接觸點較多，所形成的接觸面積對應就大，因此在施加荷載后因接觸點多，試件受力均勻，整體也較為密實，因此抗壓強度值高，而在骨料粒徑增大的過程中，骨料與骨料之間孔隙變大，使得骨料之間的接觸點減少，也就導致骨料之間的接觸面積減小，而骨料之間的連接點是影響其抗壓強度的重要影響因素之一，因此，隨著接觸面積減小，試件整體結構較為松散，所能承受的荷載相應降低[18]。

從圖3可知，粒徑為4.75～9.5 mm、9.5～16 mm再生磚混透水混凝土的透水系數值隨水灰比小幅度變化所呈現(xiàn)的規(guī)律與粒徑為16～19 mm所呈現(xiàn)的規(guī)律存在較大差異。粒徑為4.75～9.5 mm、9.5～16 mm時，在調整水灰比的過程中，再生磚混透水混凝土的透水系數首先會表現(xiàn)出增大的趨勢，但隨后隨著水灰比的進一步增加，透水系數又會逐漸減小，同樣是達到0.30水灰比時抗壓強度值最大，最大可達到4.32 mm/s。分析原因認為，粒徑為4.75～9.5 mm和9.5～16 mm時，當水灰比過小時，骨料之間的水泥漿呈干硬狀態(tài)，使其填充在骨料之間的孔隙中，減小了骨料之間的孔隙，使得再生磚混的孔隙減小，而孔隙數量直接影響再生磚混透水混凝土透水系數的大小，進而導致透水系數減小，當水灰比增大至0.30時，此時水泥漿狀態(tài)適中，且能包裹住骨料，使得骨料之間形成的水泥漿性較強。水泥漿薄厚適中使得水泥漿得以均勻分布在混凝土內部而不堵塞孔隙，進而使得骨料間的孔隙增大，孔隙增多，最終使得透水系數增大。當水灰比增大至0.32時，水泥漿含水量過大，使得水泥漿易通過骨料間的孔隙往下流動，堵塞住下層骨料之間的孔隙，導致孔隙減少，使得透水系數減小。而骨料粒徑為16～19 mm時，因粒徑較大，而整體骨料的比表面積較小，較小的水灰比就能使水泥完全水化并充分裹住骨料，因此，此粒徑下最優(yōu)水灰比為0.28，此時最大透水系數值能達到6.22 mm/s，隨著水灰比的增大，水泥漿不斷變稀薄，使得水泥漿下滲至試件下層，部分孔隙被堵塞，因此導致透水系數降低。

隨著骨料粒徑的逐漸增大，骨料間的接觸點數量會相應減少，這導致骨料之間的空隙不僅變大，而且數量也會增多。透水混凝土內部存在的孔隙一般分為連通孔隙、半連通半封閉孔隙率和封閉孔隙3種，其中半連通孔隙和連通孔隙直接決定著透水系數的大小。隨著孔隙的占比不斷增大，最終使得透水系數增大。

從圖4的抗壓強度試驗圖可得出，再生磚混透水混凝土的抗壓試件在受到加載時，裂縫主要起始于試件的邊緣部位，并逐漸向內部擴展，特別是在加載的初期階段，試塊的側表面會首先出現(xiàn)這些裂縫，隨著荷載不斷地增加使裂縫向試件中央延伸，加載至后期試件裂縫向上下段斜向發(fā)展的同時也向試件內部延伸，而透水混凝土因為內部的孔隙結構更容易產生應力集中現(xiàn)象，最終導致脆性破壞。試件的脆性破壞最終歸因于兩點原因。首先，由于再生骨料中的碎磚骨料自身強度較低，使得在抗壓試驗中，這些廢磚骨料在面對顆粒間的擠壓時，無法承受壓力而先發(fā)生破壞；其次，由于單粒徑透水混凝土骨料與水泥漿結構的特點，導致透水混凝土中的骨料之間存在較大間隙，骨料之間連接點減少，使得骨料與膠凝材料、骨料與骨料間接觸面積減小，進而導致骨料之間形成的水泥漿黏結層較薄，黏結力也不強。并且骨料間連接點減少也使得機械咬合力減弱，致使連接處薄弱，再生骨料在經歷機器破碎后，其形狀變得不規(guī)則，棱角也不均勻，在受力時，應力更容易在這些不規(guī)則和棱角處集中。這種應力集中作用會使骨料的尖端處發(fā)生斷裂，進而引發(fā)骨料之間的錯動，最終導致整個試件的破壞。此外，再生骨料中的舊水泥砂漿與原骨料之間的界面相對薄弱，這也是導致試件性能下降的一個重要因素，存在新、老界面薄弱區(qū)[19]，即舊骨料與舊水泥漿之間、新水泥漿與舊水泥漿之間的連接處更容易在外力作用下被破壞，形成應力集中而更容易在荷載作用下產生破壞。

3 結論

采用控制變量法，以骨料粒徑和水灰比作為研究的2個主要變量，并通過圖像輔助的方式，深入探討了這2個變量如何分別影響再生磚混透水混凝土的抗壓強度和透水系數。在綜合分析試驗過程中觀察現(xiàn)象和繪制圖像后，得出以下結論：

（1）再生磚混透水混凝土的抗壓強度隨骨料的粒徑增大而減小，骨料粒徑增大了骨料之間的孔隙，減小了骨料之間接觸面積，導致骨料間機械咬合力降低，最終使其抗壓強度降低。其再生磚混透水混凝土抗壓強度隨水灰比的增大而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，過大或過小的水灰比都會降低在再生磚混透水混凝土的抗壓強度。

（2）再生磚混透水混凝土的透水性能與其孔隙率緊密相關。當骨料粒徑增加時，骨料間的孔隙也隨之擴大，這增強了混凝土的透水能力，進而使得透水系數相應增大。然而，在不同骨料粒徑下，再生磚混透水混凝土的透水系數隨水灰比的變化規(guī)律并不相同。特別是在4.75～9.5 mm和9.5～16 mm這2種粒徑范圍內，透水系數隨著水灰比的增加先呈現(xiàn)出上升的趨勢，但隨后又會逐漸減小，較小水灰比容易堵住孔隙，較大則增強水泥漿流動性，在李芳軍：建筑垃圾再生磚混透水混凝土性能研究插搗和重力作用下堵住孔隙。粒徑16～19mm下透水系數隨水灰比增大而降低，較大水灰比導致水泥漿下滲至底層堵塞孔隙，使透水系數降低。

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Research on the Performance of Construction Waste Recycled Brick Mixed Pervious Concrete

LI Fangjun

（China Railway 21st Bureau Group Second Engineering Company Limited，Lanzhou Gansu 730030，China）

Abstract： ：The reuse of construction brick waste is conducive to saving resources and protecting the environ?ment， and promotes the faster realization of the "double-carbon" goal in China. In this paper， the water-cement ra?tio （0.28～0.32） and aggregate size （4.75～19mm） were used as variables to investigate the effects of these two vari?ables on the compressive strength and permeability coefficient of recycled brick-mixed pervious concrete. The re?sults show that，on the one hand，the compressive strength of recycled brick mixed pervious concrete increases at first，but the decreases when the water-cement ratio changes.With the increase of aggregate size，the compressive strength of aggregate decreases gradually. On the other hand， the permeability coefficient of recycled brick mixed pervious concrete increases with the increase of aggregate size.It is worth noting that there are some differences in the effect of water-cement ratio on the permeability coefficient under different aggregate sizes.The water permeability coeffi?cients of aggregate size 4.75～9.5mm and 9.5～16mm showed a tendency to increase and then decrease， while the wa?ter permeability coefficients of aggregate size 16～19mm decreased with the increase of water-cement ratio. The re?sults of this study provide references for actual projects.

Key words： ：recycled brick aggregate; permeable concrete; compressive strength; permeability coefficient